dc.contributor.author | Campani Junior, Gilson | |
dc.date.accessioned | 2018-04-23T14:23:33Z | |
dc.date.available | 2018-04-23T14:23:33Z | |
dc.date.issued | 2018-01-12 | |
dc.identifier.citation | CAMPANI JUNIOR, Gilson. Otimização do controle do oxigênio dissolvido em biorreator airlift pressurizado: aplicação em cultivos de Escherichia coli recombinante. 2018. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2018. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9797. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9797 | |
dc.description.abstract | A wide variety of industrial and therapeutic proteins is synthetized by genetically modified Escherichia coli, which is ease to cultivate and manipulate and also well characterized. However, there are only few studies regarding E. coli cultivation in the pneumatic airlift bioreactor. This reactor presents some advantages over the stirred tank, such as simpler construction, lower risk of contamination, and efficient gas-liquid dispersion with reduced power consumption. However, the lower oxygen transfer capacity in the bench-scale airlift bioreactor, in comparison to the stirred tank, justifies the use of temperature, pressure, and gas and oxygen flow rates as manipulated variables for the dissolved oxygen (DO) control. In this context, this thesis aims: (i) to develop a mathematical model that describes the production of the Pneumococcal Surface Protein A (PspA) by recombinant E. coli in a pressurized airlift reactor, taking into account oxygen transfer and uptake in the process; (ii) to perform economic optimization of the DO control; (iii) to develop an advanced DO controller integrated to state estimators. Data of E. coli cultivation in conventional and airlift reactors were used to identify and validate the models. The dynamic optimization was performed using a gradient method based on the Pontryagin's minimum principle. The developed mathematical models were able to describe the process under varying conditions of temperature and pressure. The dynamic optimization of the DO control resulted in a simple and sequential way of handling the inputs: manipulation of air flow rate, followed by system pressurization, and then air enrichment with pure oxygen. The optimum process temperature was 27 °C. A model predictive DO control was then proposed, associated to two state estimators, the extended Kalman filter (EKF) and the moving horizon estimator (MHE). They were both able to estimate satisfactorily four state variables (cell, substrate, PspA, and DO concentrations) based only on DO measurements. The control system proved to be robust in process simulations. The conclusions that arise from this thesis contribute to the area of development of non-conventional reactors and DO controllers, especially for pneumatic bioreactors, which are widely used in aerobic bioprocesses. | eng |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | por |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
dc.language.iso | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights.uri | Acesso restrito | por |
dc.subject | Cultivo celular | por |
dc.subject | Sobrepressão | por |
dc.subject | Oxigênio dissolvido | por |
dc.subject | Controle ótimo | por |
dc.subject | Controle preditivo | por |
dc.subject | Estimador de estado | por |
dc.subject | Escherichia coli | lat |
dc.subject | Airlift | eng |
dc.title | Otimização do controle do oxigênio dissolvido em biorreator airlift pressurizado: aplicação em cultivos de Escherichia coli recombinante | por |
dc.title.alternative | Control optimization of dissolved oxygen in a pressurized airlift bioreactor: its implementation on cultures of recombinant Escherichia coli. | eng |
dc.type | Tese | por |
dc.contributor.advisor1 | Zangirolami, Teresa Cristina | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4546701843297248 | por |
dc.contributor.advisor-co1 | Ribeiro, Marcelo Perencin de Arruda | |
dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0381402687491195 | por |
dc.description.resumo | Devido à ampla caracterização e à facilidade de manipulação e de cultivo, diversas proteínas com aplicação industrial e terapêutica são produzidas por Escherichia coli geneticamente modificada. No entanto, poucos trabalhos envolvendo cultivo de E. coli em reator pneumático tipo airlift são encontrados. Este biorreator apresenta vantagens frente ao tanque agitado, como simplicidade de construção, menor risco de contaminação e eficiente dispersão gás-líquido com baixo consumo de energia. Entretanto, a menor capacidade de transferência de oxigênio no biorreator airlift em escala de bancada, em relação à alcançada em reator convencional, justifica a manipulação de variáveis como temperatura, pressão e vazões de ar e oxigênio no controle do oxigênio dissolvido (OD). Nesse contexto, a presente tese tem como objetivos: (i) desenvolver modelo matemático que descreva o processo de produção da Proteína A de Superfície do Pneumococo (PspA) por E. coli recombinante em reator airlift pressurizado, considerando o consumo e a transferência de oxigênio no processo; (ii) otimizar economicamente o controle do OD; (iii) desenvolver controlador avançado para o OD integrado a estimadores de estados. Foram utilizados dados de cultivos de E. coli em reatores convencional e airlift para a identificação e validação dos modelos propostos. A otimização dinâmica foi feita empregando método do gradiente baseado no Princípio do Mínimo de Pontryagin. Os modelos matemáticos desenvolvidos foram capazes de descrever o processo em condições variadas de temperatura e pressão. A otimização dinâmica do controle do OD resultou em uma heurística simples e sequencial de atuação: manipulação da vazão de ar, seguida pela pressurização do sistema e, finalmente, enriquecimento do gás de entrada com oxigênio puro. A temperatura ótima para o processo foi de 27 °C. Foi proposto então um sistema de controle preditivo para o OD, associado a dois estimadores de estado, o extended Kalman filter (EKF) e o moving horizon estimator (MHE), capazes de estimar satisfatoriamente quatro variáveis de estado (concentrações celular, de substrato, de PspA e de OD) com base apenas na medida de OD. O sistema de controle se mostrou robusto em simulações do processo. As conclusões obtidas a partir desta tese contribuem para a área de desenvolvimento de reatores não convencionais e de controladores do OD, especialmente para os biorreatores pneumáticos, que são amplamente utilizados em bioprocessos aeróbios. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.description.sponsorshipId | CAPES: 142482/2014-5 | por |
dc.ufscar.embargo | 6 meses após a data da defesa | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/1982252146006688 | por |